Chọn động cơ bước và trình điều khiển cho dự án màn hình bóng tự động Arduino: 12 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:32

Trong phần Có thể hướng dẫn này, tôi sẽ đi qua các bước mà tôi đã thực hiện để chọn Động cơ Bước và Trình điều khiển cho dự án Màn hình bóng tự động nguyên mẫu. Màn che bóng là kiểu tay quay Coolaroo phổ biến và rẻ tiền, và tôi muốn thay tay quay bằng động cơ bước và bộ điều khiển trung tâm có thể được lập trình để nâng và hạ bóng râm dựa trên thời gian mặt trời mọc và mặt trời lặn được tính toán. Dự án đã phát triển qua ít nhất năm lần lặp lại thành một sản phẩm mà bạn có thể tìm thấy trên Amazon.com hoặc AutoShade.mx, nhưng quy trình chọn mô tơ bước và thiết bị điện tử điều khiển của nó là quy trình nên áp dụng cho nhiều dự án dựa trên Arduino khác.

Cấu hình ban đầu được chọn cho thiết bị điện tử nguyên mẫu là bộ xử lý Arduino Uno (Rev 3) (Adafruit # 50) với bo mạch để hiển thị (Adafruit # 399), định giờ đồng hồ thời gian thực (Adafruit # 1141) và trình điều khiển động cơ bước kép (Adafruit # 1438). Tất cả các bo mạch giao tiếp với bộ xử lý bằng giao diện I2C nối tiếp. Trình điều khiển phần mềm có sẵn cho tất cả những điều này làm cho việc phát triển bộ điều khiển màn hình bóng trở nên đơn giản hơn nhiều.

Bước 1: Xác định yêu cầu

Các sắc thái ít nhất phải hoạt động nhanh như khi quay bằng tay. Tốc độ quay tay duy trì có thể là 1 tay quay mỗi giây. Hầu hết các động cơ bước có kích thước bước là 1,8 độ hoặc 200 bước trên mỗi vòng quay. Vì vậy, tốc độ bước tối thiểu nên là khoảng 200 bước mỗi giây. Hai lần điều đó sẽ còn tốt hơn.

Mô-men xoắn để nâng hoặc hạ bóng râm thông qua bánh răng sâu Coolaroo được đo trên 9 màn hình che bóng ở đầu và cuối hành trình của chúng bằng cách sử dụng tuốc nơ vít có mô men xoắn đã hiệu chỉnh (McMaster Carr # 5699A11 có phạm vi +/- 6 in-lbs). Đây là mô-men "ly khai", và nó thay đổi rất nhiều. Mức tối thiểu là 0,25 in-lbs và tối đa là 3,5 in-lbs. Đơn vị đo hệ mét thích hợp cho mô-men xoắn là N-m và 3 in-lbs là 0,40 N-m mà tôi đã sử dụng làm “mô-men xoắn ma sát” danh nghĩa.

Các nhà cung cấp động cơ bước chỉ định mô-men xoắn động cơ theo đơn vị kg-cm vì một số lý do. Mômen xoắn nhỏ nhất ở trên 0,4 N-m là 4,03 Kg-cm. Đối với một biên độ mô-men xoắn khá, tôi muốn một động cơ có khả năng cung cấp gấp đôi mức này hoặc khoảng 8 Kg-cm. Nhìn qua các động cơ bước được liệt kê tại Các chuyên gia về vi mạch nhanh chóng chỉ ra rằng tôi cần một động cơ kích thước khung 23. Chúng có sẵn với các chiều dài ngăn xếp ngắn, trung bình và dài và nhiều loại cuộn dây.

Bước 2: Tạo lực kế

Động cơ bước có đặc tính mô-men xoắn so với tốc độ khác biệt phụ thuộc vào cách mà các cuộn dây của chúng được dẫn động. Có hai lý do tại sao mô-men xoắn giảm theo tốc độ. Đầu tiên là EMF (điện áp) trở lại được phát triển trong các cuộn dây chống lại điện áp đặt vào. Thứ hai, cuộn cảm phản đối sự thay đổi của dòng điện xảy ra với mỗi bước.

Hiệu suất của động cơ bước có thể được dự đoán bằng cách sử dụng mô phỏng động và nó có thể được đo bằng lực kế. Tôi đã làm cả hai, nhưng sẽ không thảo luận về mô phỏng vì dữ liệu thử nghiệm thực sự là một kiểm tra về độ chính xác của mô phỏng.

Một lực kế cho phép đo công suất mômen của động cơ khi đang chạy với tốc độ có kiểm soát. Phanh hạt từ đã hiệu chỉnh sẽ tác dụng mômen tải lên động cơ. Không cần đo tốc độ vì nó sẽ bằng tốc độ bước của động cơ cho đến khi mômen tải vượt quá khả năng của động cơ. Một khi điều này xảy ra, động cơ sẽ mất đồng bộ và phát ra tiếng kêu lớn. Quy trình kiểm tra bao gồm điều khiển tốc độ không đổi, tăng từ từ dòng điện qua phanh và ghi lại giá trị của nó ngay trước khi động cơ mất đồng bộ. Điều này được lặp lại ở các tốc độ khác nhau và được biểu thị dưới dạng mô-men xoắn so với tốc độ.

Phanh hạt từ được chọn là loại B25P-10-1 của Placid Industries được mua trên Ebay. Mô hình này không còn được liệt kê trên trang web của nhà sản xuất, nhưng từ số bộ phận, nó được đánh giá là cung cấp mô-men xoắn cực đại 25 in-lb = 2,825 N-m và cuộn dây được thiết kế cho 10 VDC (tối đa). Điều này là lý tưởng để kiểm tra động cơ cỡ 23 đang được xem xét, được đánh giá là tạo ra mô-men xoắn cực đại khoảng 1,6 N-m. Ngoài ra, phanh này đi kèm với một lỗ thí điểm và các lỗ lắp giống hệt như những lỗ được sử dụng trên động cơ NMEA 23, vì vậy nó có thể được lắp bằng giá đỡ có cùng kích thước với động cơ. Động cơ có trục ¼ inch và phanh đi kèm với trục ½ inch nên một bộ chuyển đổi khớp nối linh hoạt với trục kích thước tương tự cũng đã được mua trên Ebay. Tất cả những gì được yêu cầu là gắn vào hai giá đỡ vào một đế nhôm. Ảnh trên cho thấy giá đỡ thử nghiệm. Giá đỡ có sẵn trên Amazon và Ebay.

Mômen hãm của phanh hạt từ tỷ lệ với dòng điện cuộn dây. Để hiệu chỉnh phanh, một trong hai tua vít đo mô-men xoắn được nối với trục ở phía đối diện của phanh làm động cơ bước. Hai tua vít được sử dụng là bộ phận McMaster Carr số 5699A11 và 5699A14. Loại đầu tiên có dải mô-men xoắn cực đại là 6 in-lb = 0,678 N-m và loại sau có dải mô-men xoắn cực đại là 25 in-lb = 2,825 N-m. Dòng điện được cung cấp từ nguồn điện một chiều có thể thay đổi CSI5003XE (50 V / 3A). Biểu đồ trên cho thấy mô-men xoắn so với dòng điện đo được.

Lưu ý rằng trong phạm vi quan tâm đối với các thử nghiệm này, mô-men xoắn phanh có thể được tính gần đúng theo quan hệ tuyến tính Mô-men xoắn (N-m) = 1,75 x Dòng điện phanh (A).

Bước 3: Chọn Trình điều khiển Động cơ Bước Ứng viên

Động cơ bước có thể được điều khiển với một cuộn dây hoạt động hoàn toàn tại một thời điểm thường được gọi là bước DUY NHẤT, cả hai cuộn dây hoạt động hoàn toàn (bước ĐÔI) hoặc cả hai cuộn dây hoạt động một phần (MICROSTEPPING). Trong ứng dụng này, chúng tôi quan tâm đến mô-men xoắn cực đại, vì vậy chỉ sử dụng bước ĐÔI.

Mô-men xoắn tỷ lệ với dòng điện cuộn dây. Động cơ bước có thể được dẫn động với điện áp không đổi nếu điện trở của cuộn dây đủ cao để giới hạn dòng điện ở trạng thái ổn định đến giá trị danh định đối với động cơ. Adafruit # 1438 Motorshield sử dụng trình điều khiển điện áp không đổi (TB6612FNG) được đánh giá ở 15 VDC, tối đa 1,2 amps. Trình điều khiển này là bảng lớn hơn được hiển thị trong bức ảnh đầu tiên ở trên (không có hai bảng con ở bên trái).

Hiệu suất với trình điều khiển điện áp không đổi bị hạn chế vì dòng điện ở tốc độ giảm đáng kể do cả điện cảm cuộn dây và EMF phía sau. Một cách tiếp cận khác là chọn một động cơ có điện trở và cuộn dây tự cảm thấp hơn và chạy nó với dòng điện không đổi. Dòng điện không đổi được tạo ra bởi độ rộng xung điều chỉnh điện áp đặt vào.

Một thiết bị tuyệt vời được sử dụng để cung cấp ổ đĩa dòng điện không đổi là DRV8871 do Texas Instruments sản xuất. IC nhỏ này chứa một cầu H với cảm giác dòng điện bên trong. Một điện trở bên ngoài được sử dụng để đặt dòng điện không đổi (hoặc tối đa) mong muốn. IC sẽ tự động ngắt điện áp khi dòng điện vượt quá giá trị được lập trình và cấp lại điện áp khi nó giảm xuống dưới ngưỡng nào đó.

DRV8871 được đánh giá ở 45 VDC, tối đa 3,6 amps. Nó chứa một mạch cảm biến quá nhiệt bên trong ngắt điện áp khi nhiệt độ mối nối đạt 175 độ C. IC chỉ có sẵn trong gói HSOP 8 chân có tấm tản nhiệt ở phía dưới. TI bán một bảng phát triển có chứa một vi mạch (cần hai vi mạch cho động cơ một bước), nhưng nó rất đắt. Adafruit và những người khác bán một bảng tạo mẫu nhỏ (Adafruit # 3190). Để thử nghiệm, hai trong số này đã được gắn bên ngoài của một Adafruit Motorshield như thể hiện trong bức ảnh đầu tiên ở trên.

Khả năng truyền động hiện tại của cả TB6612 và DRV8871 trên thực tế đều bị giới hạn bởi sự gia tăng nhiệt độ bên trong các bộ phận. Điều này sẽ phụ thuộc vào độ tản nhiệt của các bộ phận cũng như nhiệt độ môi trường. Trong các bài kiểm tra nhiệt độ phòng của tôi, các bo mạch con DRV8871 (Adafruit # 3190) đã đạt đến giới hạn nhiệt độ quá mức trong khoảng 30 giây ở 2 ampe và các động cơ bước trở nên rất thất thường (ngắt từng giai đoạn một khi mạch quá nhiệt cắt vào và ra). Dù sao, việc sử dụng DRV8871 làm bảng con cũng là một việc làm khó, vì vậy, một tấm chắn mới đã được thiết kế (AutoShade # 100105) chứa bốn trong số các trình điều khiển để vận hành động cơ hai bước. Bo mạch này được thiết kế với một lượng lớn mặt phẳng ở hai bên để tản nhiệt cho các vi mạch. Nó sử dụng cùng một giao diện nối tiếp với Arduino như Adafruit Motorshield, vì vậy có thể sử dụng cùng một phần mềm thư viện cho các trình điều khiển. Bức ảnh thứ hai ở trên cho thấy bảng mạch này. Để biết thêm thông tin về AutoShade # 100105, hãy xem danh sách trên Amazon hoặc trang web AutoShade.mx.

Trong ứng dụng màn hình bóng râm của tôi, mất 15 đến 30 giây để nâng hoặc hạ từng bóng râm tùy thuộc vào cài đặt tốc độ và khoảng cách bóng râm. Do đó, dòng điện phải được giới hạn sao cho không bao giờ đạt được giới hạn quá nhiệt trong quá trình hoạt động. Thời gian đạt đến giới hạn quá nhiệt trên 100105 lớn hơn 6 phút với giới hạn dòng điện 1,6 amp và lớn hơn 1 phút với giới hạn dòng điện 2,0 amp.

Bước 4: Chọn Động cơ Bước Ứng viên

Các chuyên gia về vi mạch có hai động cơ 23 bước kích thước cung cấp mô-men xoắn 8 kg-cm theo yêu cầu. Cả hai đều có hai cuộn dây pha với các vòi ở giữa để chúng có thể được kết nối sao cho dẫn động toàn bộ cuộn dây hoặc một nửa cuộn dây. Các thông số kỹ thuật cho các động cơ này được liệt kê trong hai bảng trên. Cả hai động cơ gần như giống hệt nhau về mặt cơ học, nhưng về mặt điện, động cơ 104 có điện trở và độ tự cảm thấp hơn nhiều so với động cơ 207. Nhân tiện, các thông số kỹ thuật điện là cho kích thích nửa cuộn dây. Khi sử dụng toàn bộ cuộn dây thì cảm kháng tăng gấp đôi và cảm kháng tăng hệ số 4.

Bước 5: Đo mô-men xoắn Vs tốc độ của các ứng cử viên

Sử dụng lực kế (và mô phỏng) các đường cong mô-men xoắn và tốc độ cho một số cấu hình động cơ / cuộn dây / truyền động hiện tại đã được xác định. Chương trình (bản phác thảo) được sử dụng để chạy lực kế cho các bài kiểm tra này có thể được tải xuống từ trang web AutoShade.mx.

Bước 6: Ổ điện áp không đổi của nửa cuộn dây 57BYGH207 ở dòng định mức

Động cơ 57BYGH207 với một nửa cuộn dây được điều khiển ở 12V (chế độ điện áp không đổi) cho kết quả là 0,4 amps và là cấu hình truyền động ban đầu. Động cơ này có thể được điều khiển trực tiếp từ Adafruit # 1434 Motorshield. Hình trên cho thấy các đặc tính tốc độ mô-men xoắn mô phỏng và đo được cùng với ma sát trong trường hợp xấu nhất. Thiết kế này thấp hơn nhiều so với mô-men xoắn mong muốn cần thiết để hoạt động ở 200 đến 400 bước mỗi giây.

Bước 7: Ổ đĩa hiện tại không đổi của một nửa cuộn dây 57BYGH207 ở dòng điện định mức

Tăng gấp đôi điện áp áp dụng nhưng sử dụng ổ đĩa chopper để giới hạn dòng điện xuống 0,4 amps cải thiện hiệu suất đáng kể như được hiển thị ở trên. Tăng điện áp đặt vào hơn nữa sẽ cải thiện hiệu suất hơn nữa. Nhưng hoạt động trên 12 VDC là không mong muốn vì một số lý do.

· DRV8871 có điện áp giới hạn ở 45 VDC

· Bộ nguồn treo tường có điện áp cao hơn không phổ biến và đắt hơn

· Bộ điều chỉnh điện áp được sử dụng để cung cấp nguồn 5 VDC cho mạch logic được sử dụng trong thiết kế Arduino được giới hạn ở mức tối đa 15 VDC. Vì vậy, vận hành động cơ ở điện áp cao hơn mức này sẽ yêu cầu hai nguồn điện.

Bước 8: Ổ đĩa hiện tại không đổi của cuộn dây đầy đủ 57BYGH207 ở dòng định mức

Điều này đã được xem xét bằng mô phỏng nhưng không được thử nghiệm vì tôi không có nguồn điện 48 V. Mômen xoắn ở tốc độ thấp tăng gấp đôi khi cuộn dây đầy đủ được dẫn động ở dòng điện danh định, nhưng sau đó giảm nhanh hơn theo tốc độ.

Bước 9: Ổ đĩa hiện tại không đổi của cuộn dây đầy đủ 57BYGH104 ở ½ dòng định mức

Với 12 VDC và dòng điện 1,0A, đặc tính tốc độ mô-men xoắn được hiển thị ở trên cho kết quả. Kết quả thử nghiệm đáp ứng yêu cầu hoạt động với tốc độ 400 bước / giây.

Bước 10: Ổ đĩa hiện tại không đổi của cuộn dây đầy đủ 57BYGH104 ở 3/4 dòng định mức

Tăng dòng điện quanh co lên 1,6 amps làm tăng biên độ mô-men xoắn đáng kể.

Bước 11: Ổ đĩa hiện tại không đổi của cuộn dây đầy đủ 57BYGH104 ở dòng định mức

Nếu dòng điện cuộn dây được tăng lên 2A, và mô-men xoắn tăng lên như hình trên, nhưng không nhiều như mô phỏng dự đoán. Vì vậy, một cái gì đó đang xảy ra trong thực tế đang hạn chế mô-men xoắn ở những dòng điện cao hơn này.

Bước 12: Thực hiện lựa chọn cuối cùng

Sử dụng toàn bộ cuộn dây thay vì một nửa chắc chắn là tốt hơn nhưng không mong muốn với động cơ 207 vì yêu cầu điện áp cao hơn. Động cơ 104 cho phép hoạt động ở điện áp thấp hơn. Do đó, động cơ này được chọn.

Điện trở cuộn dây đầy đủ của động cơ 57BYGH104 là 2,2 ôm. Điện trở của trình điều khiển FETS trong DRV8871 là khoảng 0,6 ohms. Điện trở đi dây điển hình đến và từ động cơ là khoảng 1 ohm. Vì vậy, công suất tiêu tán trong một mạch động cơ là bình phương dòng điện cuộn dây nhân 3,8 ôm. Tổng công suất gấp đôi giá trị này vì cả hai cuộn dây được dẫn động cùng một lúc. Đối với các dòng điện cuộn dây được xem xét ở trên, kết quả được thể hiện trong Bảng này.

Giới hạn dòng động cơ ở mức 1,6 amps cho phép chúng tôi sử dụng nguồn điện 24 watt nhỏ hơn và ít tốn kém hơn. Biên mô men xoắn bị mất rất ít. Ngoài ra, động cơ bước không phải là thiết bị yên tĩnh. Điều khiển chúng ở dòng điện cao hơn làm cho chúng to hơn. Vì vậy, vì lợi ích của công suất thấp hơn và hoạt động êm hơn, giới hạn hiện tại đã được chọn là 1,6 amps.